TWI576885B - Ｘ射線產生裝置 - Google Patents

Description

X射線產生裝置

本發明係關於一種使電子束撞擊於靶而產生X射線之X射線產生裝置。

習知，作為產生使焦點之尺寸縮聚為較小之X射線之X射線產生源，普及有微聚焦X射線產生裝置。於通常之X射線產生裝置中，使來自經加熱之陰極之熱電子加速並碰撞於靶，從而放射X射線。由於朝向靶之電子流會擴散，故而對柵極施加適當之電場而抑制電子流之發散，使焦點聚結於靶上。於微聚焦X射線產生裝置中，必須使縮聚為微小之電子束朝靶上撞擊，故而已知利用各種手段控制電子束之聚焦者。

例如，專利文獻1中所記載之X射線產生裝置除包括X射線管、電子槍、X射線靶、電子透鏡、像差補償器及X射線窗之基本構成以外，包括使用X射線反射鏡之X射線聚焦器件，產生具有較小之尺寸之焦點或焦線之X射線。

專利文獻2中所記載之X射線聚焦裝置係於2平面中使用，具有設置於電子槍之陽極與藉由電磁鐵之聚焦透鏡之間之2組偏向線圈，使射束聚合於中心。又，具有空芯之四極磁鐵作為使圓形剖面之射束變形為較長之像差補償器，該空芯之四極磁鐵係設置於聚焦透鏡與靶之間。該四極可繞管之軸之周圍旋轉而調整線焦點之方向， 藉由控制四極之4個線圈內之電流而使射束於靶表面上移動。

專利文獻3中所記載之小型X射線管為了使電子束之焦點聚合於靶之微小面積部分，使用設置於細徑部之外部之環狀之永久磁鐵而進行電子束前進方向之焦點位置與靶上之焦點位置之調整。然而，調整方法係使永久磁鐵沿細徑部移動而進行。

圖11係表示如上所述之習知之X射線產生裝置300之立體剖面圖。X射線產生裝置300包括：對準線圈310、電磁鐵透鏡320、像差補償器340、靶350及X射線取出窗360。圖12係表示相對於靶350之電子束e3之入射角α3與X射線x3之取出角β3之立體圖。α3取大至78°左右，利用像差補償器340使電子束之剖面延長而照射至靶，以使X射線之掠出角β3較小例如為12°左右之狀態取出。圖12之由虛線所圍住之範圍表示電子束對靶之照射範圍。X射線產生裝置300係藉由電磁鐵透鏡320使於陰極產生並通過光圈305之電子束聚焦，於裝置中電磁鐵透鏡320佔有較大之體積。

[專利文獻]

[專利文獻1]美國專利第6282263號說明書

[專利文獻2]美國專利第6778633號說明書

[專利文獻3]日本專利特開昭58-145049號公報

如上所述，使電子束聚焦之電磁鐵透鏡佔有較大之體積，故而難以小型化地構成裝置。然而，對於X射線產生裝置有欲構成較小且輕量化之裝置之要求。針對於此，考慮有使用以與電磁鐵透鏡相比較小之體積產生較強之磁場之永久磁鐵使電子束聚焦之方法。但是，即便使用永久磁鐵使電子束聚焦，亦由於磁場強度為固定而無 法細微地控制焦點。

於使用永久磁鐵使電子束聚焦之情況下，對於因由經年變化或熱膨脹而導致之陰極之尺寸變化而導致之電子放射性之變動、因熱變化而導致之永久磁鐵之磁力之變動、因電壓之變動而導致之焦點之移動、因靶之溫度上升或X射線管之尺寸變化而導致之焦點位置之偏移等，僅藉由永久磁鐵無法產生總是穩定之X射線。

本發明係鑒於此種情況而完成者，其目的在於提供一種X射線產生裝置，其能夠以較小且輕量化之裝置構成進行電子束之焦點位置之微細之調整。

(1)為了達成上述目的，本發明之X射線產生裝置係使電子束撞擊於靶而產生X射線者，其特徵在於包括：永久磁鐵透鏡，其使電子束聚焦；修正線圈，其相對於上述永久磁鐵透鏡而設置於電子束側，並對藉由上述永久磁鐵透鏡而所產生之電子束之前進方向之焦點位置進行修正；及靶，其被上述經聚焦之電子束所撞擊。

如此，由於使用永久磁鐵作為電子透鏡，故而可實現與通常之裝置相比極小且輕量化之裝置構成。又，可藉由修正線圈對磁場強度進行微調整，從而進行電子束之前進方向之焦點位置之細微之調整。再者，本發明之X射線產生裝置基本上包括X射線管、電子槍、靶、對準線圈、永久磁鐵透鏡、修正線圈及X射線取出窗。

(2)又，本發明之X射線產生裝置之特徵在於：上述修正線圈設置於電子束之前進方向上且上述永久磁鐵透鏡之磁場之磁力範圍內。藉此，可縮短遍及電子束之前進方向之X射線產生裝置之外形尺寸。又，可縮小修正線圈之尺寸。再者，所謂上述磁力範圍係指永 久磁鐵透鏡之磁力成為永久磁鐵透鏡之最大磁力之68%以上之範圍。修正線圈更佳為設置於永久磁鐵透鏡之電子束路徑側。

例如，於永久磁鐵透鏡為圓筒狀之情況下，修正線圈較佳為設置於該永久磁鐵透鏡之孔之內側。然而，亦可不嚴格地設置於永久磁鐵透鏡之孔內而設置於其端面附近之永久磁鐵透鏡之磁力範圍內。

(3)又，本發明之X射線產生裝置之特徵在於：上述靶係以上述電子束之入射角成為3°以上且20°以下之方式使表面相對於上述電子束傾斜而設置。藉此，於使焦點尺寸縮小之狀態下，於靶上，電子束傾斜地擴散而撞擊，故而可不使靶成為超過熔點之高溫地施加較大之負荷，從而取出亮度較高之X射線。

(4)又，本發明之X射線產生裝置之特徵在於：並且包括有X射線取出窗，而該X射線取出窗係將於上述靶所產生之X射線取出至裝置外部，且上述X射線取出窗係設置於相對於上述靶之表面之X射線之取出角成為與相對於上述靶之表面之上述電子束之入射角相同程度之位置。藉此，可減小外觀之X射線源焦點尺寸，可取出亮度較高之X射線。

(5)又，本發明之X射線產生裝置之特徵在於：並且包括有X射線取出窗，而該X射線取出窗係將於上述靶所產生之X射線取出至裝置外部，且上述X射線取出窗係以上述X射線取出窗之表面成為大致平行於上述電子束且大致垂直於上述靶之表面之方式加以設置。藉此，可取出呈線狀地擴散之線聚焦之X射線。

(6)又，本發明之X射線產生裝置之特徵在於：上述係靶形成為薄膜，且形成於鑽石基板上。藉此，可藉由鑽石使於薄膜所產 生之熱進行擴散。又，由於係以斜入射為前提，故而，即便使靶用薄膜變薄，亦可入射電子與靶產生作用而充分地獲得X射線強度。

根據本發明，能夠以較小且輕量化之裝置構成進行電子束之焦點位置之微細之調整。

100、300‧‧‧X射線產生裝置

105、305‧‧‧光圈

110、310‧‧‧對準線圈

120‧‧‧永久磁鐵透鏡

130‧‧‧修正線圈

150、250、350‧‧‧靶

160、360‧‧‧X射線取出窗

e1、e3‧‧‧電子束

x1、x3‧‧‧X射線

α1、α3‧‧‧電子束之入射角

β1、β3‧‧‧X射線之取出角

251‧‧‧固持部

255‧‧‧靶用薄膜

256‧‧‧鑽石板

258‧‧‧頂蓋

320‧‧‧電磁鐵透鏡

340‧‧‧像差補償器

圖1係表示第1實施形態之X射線產生裝置之立體剖面圖。

圖2係表示相對於靶之電子束之入射角與X射線之取出角之立體圖。

圖3係表示未充分地操作修正線圈時之X射線點之圖。

圖4係表示已充分地操作修正線圈時之X射線點之圖。

圖5係利用第1實施形態之X射線產生裝置所獲得之X射線點。

圖6係表示X射線點之強度分佈之圖。

圖7係表示實驗結果之表。

圖8係表示於鑽石上形成有金屬薄膜之靶之剖面圖。

圖9係表示X射線產生試驗後之Cu塊體靶之表面狀態之圖。

圖10係表示X射線產生試驗後之鑽石上之靶用之Cu薄膜之表面狀態之圖。

圖11係表示習知之X射線產生裝置之立體剖面圖。

圖12係表示相對於靶之電子束之入射角與X射線之取出角之立體圖。

繼而，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。為了使說明容易理解，對各圖式中相同之構成要素標附相同之參 照序號，省略重複之說明。再者，圖式中所示之實施態樣為一例，本發明不限定於此。

[第1實施形態]

圖1係表示X射線產生裝置100之立體剖面圖。X射線產生裝置100包括：對準線圈110、永久磁鐵透鏡120、修正線圈130、靶150及X射線取出窗160。X射線產生裝置100係如下裝置：以陰極(cathode)為陰極，以靶150為陽極，施加數十千伏之高電壓，藉此使自陰極所產生之電子束碰撞於靶150而產生X射線。再者，圖1中，表示有用以控制電子束之聚焦之構成，省略陰極周邊部。

通常，陰極係藉由利用通電進行加熱而釋出熱電子，使所釋出之電子束一面藉由施加於柵極之控制用電壓而控制前進方向，一面藉由施加於陰極與靶之間之高電壓而加速而碰撞於靶150，於其碰撞時，X射線自靶產生並發散至寬廣之角度區域內。

對準線圈110設置於光圈105之正後方，可調整電子束e1之垂直於前進方向之面上之位置或剖面形狀。由於對準線圈110係用於調整面上之電子束之位置者，故而根據電子束之垂直於前進方向之面上之2方向而設置有2組。

永久磁鐵透鏡120設置於對準線圈110之後段，作為電子透鏡而利用磁場使電子束e1聚焦。由於使用永久磁鐵透鏡而非電磁鐵透鏡作為電子透鏡，故而可實現與習知之裝置相比極小且輕量化之裝置構成。

修正線圈130設置於電子束e1之前進方向上永久磁鐵透鏡120之磁場之磁力範圍內，且相對於永久磁鐵透鏡120設置於電 子束e1側，可對由永久磁鐵透鏡120所產生之電子束e1之前進方向上之焦點位置進行修正，以1A以下之較小之電流調整電子束之焦點位置。修正線圈130可以電子束之前進方向為軸而以軸對稱地構成，可形成為以軸為中心之球型、圓筒形或桶型等。又，亦可如上述對準線圈110般形成為塊狀，以軸為中心而對稱地配置。可藉由修正線圈130對磁場強度進行微調整，從而進行電子束之前進方向之焦點位置之細微之調整。再者，所謂磁力範圍係指永久磁鐵透鏡120之磁力成為永久磁鐵透鏡120之最大磁力之68%以上之範圍。又，修正線圈130更佳為設置於永久磁鐵透鏡120之電子束路徑側。

例如，於永久磁鐵透鏡120為圓筒狀之情況下，修正線圈130較佳為設置於該永久磁鐵透鏡120之孔之內側。然而，亦可不嚴格地設置於永久磁鐵透鏡120之孔內而設置於其端面附近之永久磁鐵透鏡120之磁力範圍內。

由於修正線圈130係設置於電子束e1之前進方向上永久磁鐵透鏡120之磁力範圍內，故而可縮短遍及電子束e1之前進方向之X射線產生裝置100之外形尺寸。又，與修正線圈130設置於永久磁鐵透鏡120之磁力範圍外之情況相比，可縮小修正線圈130之尺寸。

於假設將修正線圈130置於永久磁鐵透鏡120之磁力範圍外、例如靶150側之情況下，因藉由永久磁鐵透鏡120無法完全聚合之偏移變大而必須進行修正之量變大，故而修正線圈130本身之尺寸亦必須增大。若設置於永久磁鐵透鏡120之磁力範圍內，則修正量較小，修正線圈130本身之尺寸亦較小即可達成目的。

靶150被經聚焦之電子束e1撞擊而產生X射線x1。於靶150中，例如使用Cu、Mo、W等成為陽極之金屬。如圖1所示， 靶150係相對於電子束之前進方向大幅地傾斜而設置，以電子束e1之入射角成為3°~20°之方式而設置。

藉此，即便不使電子束之剖面形狀延長，亦可以對於電子束之前進方向較長之範圍將電子束照射至靶。其結果，可不使靶150損傷而取出充分之強度之X射線。藉由使靶150以此方式相對於電子束大幅地傾斜，無需進行用以確保X射線強度之調整之手段，可使裝置小型化、簡化。

X射線取出窗160例如係由Be(鈹)形成，將於靶150所產生之X射線取出至裝置外部。電子束碰撞於靶，發散至寬廣之角度區域內之X射線中之出射至X射線取出窗160之方向之X射線被取出至裝置外部。

X射線取出窗160之位置係根據利用態樣而作各種考慮，作為一態樣，較佳為設置於相對於靶150之表面之X射線之取出角成為與相對於靶150之表面之電子束之入射角相同程度之位置。藉此，可於使外觀之X射線源焦點尺寸縮小之狀態下，施加較大之負荷，取出亮度較高之X射線。

圖2係表示相對於靶之電子束之入射角α1與X射線之取出角β1之立體圖。如圖2所示，靶150係以電子束之入射角α1成為3°以上且20°以下之方式使表面相對於電子束傾斜而設置。藉此，可無需藉由所謂之像差補償器而進行之電子束之剖面形狀之調整而於使焦點尺寸縮小之狀態下使靶上之電子束照射面積變寬闊。而且，可不使靶成為超過熔點之高溫地施加較大之負荷而取出亮度較高之X射線。其結果，可進一步推進小型化、簡化。再者，圖2之由虛線所圍成之範圍表示電子束對靶150之照射範圍。

圖2所示之例中，將X射線取出窗160之位置設置於相對於靶150之表面之X射線之取出角β1成為與相對於靶之表面之電子束之入射角α1相同程度之位置。即，取出角β1亦被設置為與電子束之入射角α1相同程度。作為電子束之入射角α1、X射線之取出角β1，例如可設定為15°。

X射線取出窗160亦可以X射線取出窗160之表面成為大致平行於電子束e1且大致垂直於靶150之表面之方式設置。X射線產生裝置100中，電子束相對於靶150之入射角α1較小，以於前進方向上較長之範圍照射電子束。其結果，可經由X射線取出窗160將於大致平行於靶150之表面之方向上放射之呈線狀地擴散之線聚焦之X射線取出。

[實施例1]

使用上述X射線產生裝置100、及習知之X射線產生裝置300，來驗證X射線產生裝置100可否產生充分之焦點尺寸、X射線強度之X射線。

於任一裝置中均將對靶之負荷設為45kV、0.5mA，即設為22.5W，於相同之溫度、大氣壓之條件下進行驗證。又，對於任一裝置均使用相同之X射線檢測器。又，使距離之條件全部相同。以此方式，檢測所產生之X射線點。此時，藉由修正線圈調整關於電子束之前進方向之焦點位置。

圖3係表示未充分地操作修正線圈時之X射線點之圖。圖3所示之例係將2個對準線圈之電流分別設定為70mA、150mA且將修正線圈之電流設為-100mA之情況下之X射線點。

圖4係表示已充分地操作修正線圈時之X射線點之圖。圖4所示之例係將2個對準線圈之電流分別設為70mA、150mA且將修正線圈之電流調整為300mA之情況下之X射線點。以此方式，可藉由修正線圈調整電子束之焦點位置，縮小X射線點，增大其強度而形成尖峰值。

圖5係表示利用X射線產生裝置100所獲得之X射線點。圖6係表示圖5所示之X射線點之強度分佈之圖。如圖5、圖6所示，可獲得強度較大且尺寸充分地較小之X射線點。圖6中，將累積強度分佈為90%之閾值表示為a，將50%之閾值表示為b，將20%之閾值表示為c，將10%之閾值表示為d。

圖7係表示實驗結果之表。係將於使用X射線產生裝置100(表中之例1)及習知之X射線產生裝置300(表中之例3)各者之情況下所獲得之X射線點之評價匯總於表中者。可知，關於強度、點尺寸，任一裝置均大致相同。藉此，可證實：即便係與習知之裝置相比使構成小型化、輕量化之X射線產生裝置，作為微聚焦之X射線源，X射線點之強度或銳度亦不遜色。再者，X射線強度係由X射線強度檢測儀之輸出電壓值mV表示。

[第2實施形態]

上述實施形態中，靶250由金屬之塊體所構成，但亦可為於鑽石上形成有金屬薄膜者。圖8係表示於鑽石上形成有金屬薄膜之靶250之剖面圖。靶250係使圓板狀之鑽石板256以堵塞由導電性之材料形成為圓筒狀之固持部251之上部開口部之方式氣密地接合，於鑽石板256之表面設置有包含導電性材料之靶用薄膜255。靶用薄膜255係延 長至固持部251之側面而設置，電性連接於固持部251。

固持部251之開口端以略微大於圓筒之內周面之圓筒內徑之固持部開口端內徑形成有段差，段差具有與鑽石板256之厚度大致相同之高度，以可使鑽石板256傾斜而收納之方式設置。鑽石板256與固持部251藉由焊接等而接合。

又，靶用薄膜255係藉由如離子射束濺鍍之薄膜堆積法而形成。固持部251之被支持側之端部亦氣密地接合，於其內部設置有頂蓋258，以可使水等冷媒於形成於頂蓋258之內部與外部之間之流通路中循環之方式構成。鑽石板256之厚度較佳為300μm~800μm。

靶形成為薄膜，且形成於鑽石基板上。藉此，可藉由鑽石使於薄膜所產生之熱擴散。又，由於係以電子束之斜入射為前提，故而，即便使靶用薄膜變薄，亦可入射電子與靶產生作用而充分地獲得X射線強度。

[實施例2]

對於與如上所述之靶250為同等之構成之不傾斜之鑽石板上之靶用之Cu薄膜連續地照射縮聚為0.1mm×1.1mm(=焦點尺寸)之電子束，結果，以5.4kW/mm²之負荷獲得長期穩定之X射線。由於靶之最大負荷依賴於焦點尺寸，故而若將上述值換算為20μm×80μm之焦點尺寸，則為40kW/mm²。

另一方面，於使用塊體Cu之通常之Cu靶之情況下，該值為一半以下。再者，圖9係表示X射線產生試驗後之Cu塊體靶之表面狀態之圖。圖9所示之例中，係以40kV‧11mA(=440W=4kW/mm²)施加約1小時負荷後者，可知表面完全損傷。

另一方面，圖10係表示X射線產生試驗後之鑽石上之靶用之Cu薄膜之表面狀態之圖。圖10所示之例中，係以40kV‧15mA(=600W=5.45kW/mm²)施加約100小時負荷後者，可知表面完全為正常狀態。再者，焦點尺寸係兩者均為0.1mm×1.1mm。

100‧‧‧X射線產生裝置

105‧‧‧光圈

110‧‧‧對準線圈

120‧‧‧永久磁鐵透鏡

130‧‧‧修正線圈

150‧‧‧靶

160‧‧‧X射線取出窗

e1‧‧‧電子束

x1‧‧‧X射線

Claims (6)

1. 一種X射線產生裝置，其係使電子束撞擊於靶而產生X射線者；其特徵在於包括：永久磁鐵透鏡，其使電子束聚焦；修正線圈，其相對於上述永久磁鐵透鏡而設置於電子束側，並對藉由上述永久磁鐵透鏡而所產生之電子束之前進方向之焦點位置進行修正；及靶，其被上述經聚焦之電子束所撞擊。
2. 如申請專利範圍第1項之X射線產生裝置，其中，上述修正線圈係設置於電子束之前進方向上且上述永久磁鐵透鏡之磁場之磁力範圍內。
3. 如申請專利範圍第1或2項之X射線產生裝置，其中，上述靶係以上述電子束之入射角成為3°以上且20°以下之方式使表面相對於上述電子束傾斜而設置。
4. 如申請專利範圍第3項之X射線產生裝置，其中，並且包括有X射線取出窗，而該X射線取出窗係將於上述靶所產生之X射線取出至裝置外部；上述X射線取出窗係設置於相對於上述靶之表面之X射線之取出角成為與相對於上述靶之表面之上述電子束之入射角相同程度之位置。
5. 如申請專利範圍第3項之X射線產生裝置，其中，並且包括有X射線取出窗，而該X射線取出窗係將於上述靶所產生之X射線取出至裝置外部；上述X射線取出窗係以上述X射線取出窗之表面成為大致平行於上述電子束且大致垂直於上述靶之表面之方式加以設置。
6. 如申請專利範圍第3項之X射線產生裝置，其中，上述靶係形成為薄膜，且形成於鑽石基板上。